Prof. Maria Hondele über Zellorganellen der besonderen Art
Winzige Tröpfchen in der Zelle, davon ist Maria Hondele schon seit Langem fasziniert. Diese als membranlose Organellen bezeichneten Gebilde sind zwar längst bekannt, aber noch immer stecken sie voller Überraschungen. Wie sie entstehen und welche Bedeutung sie für die Zelle und das Leben an sich haben, dem geht Maria Hondele in ihrer Forschung auf den Grund.
Was kann man sich unter membranlosen Organellen vorstellen?
Im Gegensatz zu den klassischen Organellen, wie beispielsweise dem Zellkern, sind diese tröpfchenartigen Strukturen nicht durch eine Membran vom restlichen Zellinhalt abgetrennt. Daher der Name membranlose Organellen. Sie wurden schon vor etwa 100 Jahren beschrieben, zum Beispiel der Nukleolus im Zellkern. Vor gut zehn Jahre sind Forschende darauf aufmerksam geworden, dass es in der Zelle noch viel mehr solcher Gebilde gibt. Sie sind Ansammlungen von Proteinen und oft auch Nukleinsäuren und weisen besondere biophysikalische Eigenschaften auf.
Das Phänomen kennt man also schon länger. Wo steht die Forschung heute?
Lange Zeit führte das Forschungsgebiet eher ein Nischendasein. In den letzten Jahren hat sich das gewandelt. Heute beschäftigen sich Forschende weltweit mit dem Phänomen. Es herrscht eine regelrechte Aufbruchstimmung, denn so vieles ist noch nicht bekannt: Wofür sind die Tröpfchen gut? Warum sind sie für die Zelle wichtig? Warum sammeln sich die einzelnen Bestandteile nur an bestimmten Stellen? Und was können die Moleküle im Verbund zusammen, was sie als Einzelteile nicht können?
Ist inzwischen bekannt, wie membranlose Organellen entstehen?
Das geschieht durch sogenannte Kondensation, zum Teil wird das Phänomen auch Phasentrennung genannt. Jeder kennt ein ganz ähnliches Phänomen aus dem täglichen Leben. Wenn man zum Beispiel eine Salatsauce macht, sieht man wie sich die Öltropfen vom Essig trennen. In der Zelle geschieht im Prinzip das Gleiche. Hier interagieren Proteine und Nukleinsäuren mit sich selbst und organisieren sich auf diese Weise von alleine.
Bilden sich die Tröpfchen einfach so, ganz unwillkürlich?
Die Tröpfchenbildung ist ein dynamischer und regulierter Vorgang, der sich auch rückgängig machen lässt. In der Zelle gibt es manche membranlose Organellen, die relativ konstant vorhanden sind, zum Beispiel der Nukleolus, aber auch einige, die nur als temporäre Strukturen existieren und je nach Bedingung entstehen oder auch wieder verschwinden. Das hängt dann unter anderem vom Zustand der Zelle ab, wie beispielsweise dem pH-Wert oder dem Salzgehalt. Während meines Postdocs haben wir herausgefunden, dass bestimmte Proteine die Bildung membranloser Organellen steuern. Die Zelle scheint aktiv in den Prozess eingreifen zu können.
Welche Aufgaben haben membranlose Organellen?
Darüber wird viel diskutiert und es gibt viele Hypothesen. Sie könnten als Depot für Stoffe dienen, aber auch als Mini-Fabriken, in denen biochemische Reaktionen beschleunigt ablaufen. Möglicherweise könnten sie auch eine neue Ebene der Genregulation sein, das treibt mich derzeit um. Ein schönes Beispiel dafür ist eine Arbeit der Forschungsgruppen von Christoph Handschin und Sebastian Hiller, in der sie zeigen konnten, dass das Muskelprotein PGC-1alpha sich mit anderen Molekülen zu Tröpfchen zusammenlagert und ein komplexes genetisches Programm steuert. Es sorgt dafür, dass sich die Muskeln an die Belastungen des Ausdauertrainings anpassen.
Und welche Auswirkungen hat es, wenn sich die Tröpfchen nicht richtig bilden?
Darüber weiss man noch viel zu wenig. Aber anscheinend gibt es Verbindungen zu neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer oder Amyotrophe Lateralsklerose, besser bekannt als ALS. Spannend ist auch noch ein anderer Aspekt. Membranlose Strukturen, so wird spekuliert, sind der Ursprung des Lebens – winzige abgeschlossene Reaktionsräume in der «Ursuppe».